深海海底反射会聚区声传播特性

在深海声道条件下,海水折射效应会使得声场出现会聚效应;在不完全声道条件下,深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据,研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象,在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成,并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构,在60 km范围内存在两个海底反射会聚区,会聚区增益可达10 dB以上,同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时,第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内,随着接收深度的增加,声线到达结构趋于复杂,多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.     

深海大深度声传播特性及直达声区水下声源距离估计

深海大深度声传播特性对在深海近海底进行水声目标探测和定位具有重要意义。利用一次南海中南部深海不完全声道中的脉冲声传播实验数据,分析了海底附近大深度声传播损失及脉冲多途传播特性,并根据直达波和海底-海面反射波的时延差与收发距离的关系,提出一种利用深海直达声区脉冲多途到达时间进行水下声源距离估计的方法。结果表明:当接收器深度位于南海深海海底附近而声源深度较浅时,直达声区水平宽度可达30 km,传播损失相对影区来说较小,有利于水下声源探测;直达声区的直达波与海底-海面反射波的到达时延差随着收发距离的增大单调减小,可被用于水下声源距离估计。得到水下声源的距离估计结果与实验GPS测量结果较为一致,距离估计均方误差为0.28 km。      

利用波导不变量的浅海负跃层声源深度判别

在夏季负跃层水文条件下,声源激发的声场同时存在折射类和反射类简正波,导致通过分离简正波进行深度判别的方法性能下降甚至失效·提出了一种利用波导不变量判别声源深度的方法。当接收器位于负跃层以下时,水面声源和水下声源的波导不变量数值不同。在本文的仿真条件下,水面声源波导不变量约等于1,当声源位于负跃层以下时,波导不变量大于1.利用频域warping变换从干涉结构中提取与实际距离成线性关系的时域脉冲,可以在未知声源距离的情况下,从声场干涉结构中获得声源激发声场的波导不变量,从而在夏季负跃层水文条件下进行声源深度判别。方法无须声源与接收器存在最近经过距离,可适用于单水听器或水平阵波束形成后输出的LOFAR谱.仿真结果证明,方法可以提取水面目标和水下目标的时延轨迹并计算干涉条纹的波导不变量。最后,对海试实验数据进行分析处理,从水面声源的干涉条纹中提取波导不变量,证明了方法的有效性。      

改进的贝叶斯压缩感知目标方位估计

针对基于高斯先验模型的贝叶斯压缩感知在目标方位(Direction Of Arrival,DOA)估计中可能出现明显随机伪峰的问题,改进了高斯先验模型,并在此基础上提出了一种贝叶斯压缩感知目标方位估计方法。通过波束输出噪声背景预估与二值指示变量标记,并引入基于信号先验方差的噪声方差估计方法,与变分贝叶斯推断相结合改进目标方位估计性能和优化迭代收敛过程。利用32元线阵对改进算法进行数值仿真处理和分析结果表明,该改进方法不仅可以准确估计目标信号的方位,而且可以显著地减少空间谱中伪峰的数量。实际海上实验数据处理结果表明,使用改进后的贝叶斯压缩感知方法进行DOA估计,可以显著地抑制空间谱中随机的伪峰,提高波束输出峰值背景比,具有更强的目标检测能力。      

0-3法制备PZT厚膜及其性能研究

采用0-3复合法制备PZT(PbZr0.52Ti0.48O3)厚膜,通过陈化、静置、去除沉淀颗粒、浓缩等方法改良了浆料配制工艺,大大改善了厚膜的表面粗糙度,制备出适于微压电换能器使用的PZT厚膜.采用单层退火的方式对厚膜进行了结晶热处理,研究了不同结晶温度对厚膜性能的影响.结果表明:改良的浆料配制工艺,明显降低了厚膜的表面粗糙度,大大改善了表面形貌;随着热处理温度的升高,厚膜的晶粒尺寸变大,剩余极化变大,矫顽场变小,粗糙度有增大的趋势;当结晶温度为700℃时,剩余极化达到15μC/cm2,矫顽场为30.5 kV/cm.     

水平变化波导中两种耦合简正波方法的比较与分析

分析比较了处理水平变化波导中声传播问题的两种耦合简正波方法:DGMCM(Direct-Global-Matrix Coupled-Mode Method)和CCMM(Consistent Coupled-Mode Method)。首先,两种方法都提供声场的双向解,具有很高的计算精度。其次,DGMCM和CCMM中本地垂直模式序列均具有较快的收敛速度,但DGMCM比CCMM需要较少的水平分段数。再次,两种方法通过求解不同的耦合简正波系统得到声场解,但求解过程中所需参数的计算量基本相同。另外,DGMCM能够处理某些CCMM不容易解决的问题,如海底形状不平滑,线源在斜坡海底上方,以及多声源问题。在DGMCM方法中给出了双层波导问题的耦合矩阵解析表达式,还推导更新了CCMM模型,使其能够处理二维线源问题。      

压电基片与金属点阵厚度对行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的影响

过低的灵敏度性能一直是声表面波(SAW)陀螺仪的瓶颈问题,对此,提出了一种结合金属点阵用以改善陀螺效应的新型行波模式SAW陀螺仪,并对其性能进行了评价。该结构由双延迟线型振荡器构成,两延迟线平行且反向制作于同一压电基片上,在延迟线的声传播路径上分布铜点阵。结合层状介质中声波传输特性的研究方法分析了两种压电晶体材料、不同金属点阵膜厚对传感器响应的影响,从而为确定陀螺仪的设计奠定理论基础。基于理论计算结果,研制了以128°YX LiNbO3及X-112°Y LiTaO₃为压电基片,铜点阵厚度分别为33000 Å,6000 Å,9000 Å的95 MHz声表面波陀螺仪。为改善振荡器的频率稳定性,延迟线采用了具有梳状结构的单相单向换能器结构。振荡器的测试频率稳定度达到了±5 Hz/h。利用精确速率转台对所研制的SAW陀螺仪性能进行了测试。测试结果表明:采用机电耦合系数较高的128°YX LiNbO₃基片并增加金属点阵厚度均能有效提高陀螺仪的检测灵敏度,所获得的最大检测灵敏度为2.7 Hz/(deg/s)。      

圆台形超声相控阵列在管材检测中的聚焦声场

针对一种新型的用于钢管横向缺陷检测的圆台形超声相控阵列,提出了计算管内一次波位移场的模型。设计了三维情况下,圆柱界面存在时的时间延迟法则,并在高频近似下,利用瑞利积分法结合稳相法,研究和计算了管材横截面以及纵剖面上的二维声场分布特性。最后详细讨论了圆台形相控阵列中心夹角、阵元宽度及动态阵元数等参数对管材中聚集声场的影响。结果表明,这种模型以及计算方法可以有效地分析圆台形阵列在钢管内的辐射位移场特性,为实际制作这种圆台形阵列提供理论指导。      

耦合微扰简正波方法与孤立子内波

水平变化环境下声场简正波解的计算精度和效率取决于本地简正波的计算方法。提出一种完备的一阶微扰理论方法,并引入迭代算法,获得了本地简正波水平波数和本征函数的精确表达式。数值结果表明,改进后的微扰简正波方法得到的简正波水平波数和本征函数精度比前人方法更高,与KRAKENC计算结果吻合较好,而计算速度比KRAKENC快100倍。同时将微扰简正波方法与耦合简正波理论结合,应用到海水声速水平变化剧烈的孤立子内波群环境。数值结果表明,该方法计算得到的传播损失与COUPLE07在单次散射近似下的计算结果吻合较好,计算速度比COUPLE07快25倍,并将该方法在声场计算中的适用频率提高到了3 kHz。      

一种多通道混沌调相扩频方式及其在水声通信中的应用

直接序列扩频通信是一种低检测概率通信方式,在保密通信中得到了广泛的应用。但该通信方式仍存在缺陷,其采用伪随机序列作为扩频码,而伪随机序列具有周期性和二值性等较为明显的特征,在敌对环境下这些特征可能被利用,使得直扩信号重要的特征参数被估计出来,进而引发信息泄露。针对这个问题,本文提出采用混沌调相序列代替伪随机序列,混沌调相序列是恒包络的复数值序列,可用数量多,相关特性好,而且克服了伪随机序列周期性和二值性的不足,具有更高的保密性。为了提高通信速率,将混沌调相序列与多通道技术相结合,数值仿真结果显示了该通信方式优异的误码率性能,表明该通信方式在水声通信中应用的可行性。